新型光子晶體光纖設(shè)計(jì)與傳輸特性研究.pdf

1、光子晶體的發(fā)現(xiàn),是光和電磁波傳播與控制技術(shù)方面的一個(gè)重大突破.光子晶體光纖(PCF)是光子晶體非常重要的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域.自從Russell等人根據(jù)光子禁帶導(dǎo)光原理首次提出光子晶體光纖的概念之后,光子晶體光纖就開(kāi)始成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn).光子晶體光纖的包層由非常微小的空氣孔陣列組成,這類(lèi)似于晶體中的晶格結(jié)構(gòu),它可以看成是一種二維光子晶體,即在橫截面方向上存在折射率周期分布的介質(zhì),其纖芯為缺陷區(qū),而光纖軸向是光波傳播的方向.光子晶體光纖

2、由于具備普通光纖所不能夠獲得的優(yōu)異性能而受到人們的廣泛關(guān)注.根據(jù)光子晶體光纖導(dǎo)光原理的不同,可以將光子晶體光纖分為折射率導(dǎo)光(Index-guiding)光子晶體光纖和帶隙導(dǎo)光(PBG.guiding)光子晶體光纖. 本文主要研究光子晶體光纖的傳輸特性,文中首先從經(jīng)典Maxwell方程出發(fā),分析光子晶體和光子晶體光纖的電磁理論基礎(chǔ),并研究了光子晶體的帶隙效應(yīng);針對(duì)光子晶體這種折射率周期分布的介質(zhì)材料,文中分析、介紹了有效折射率法

3、、平面波擴(kuò)展法、有限元法等常用的數(shù)值分析方法. 以包層為三角晶格結(jié)構(gòu)的折射率導(dǎo)光光子晶體光纖是本文的研究對(duì)象之一,本文計(jì)算分析了光纖的色散特性、模場(chǎng)面積和非線性系數(shù)、泄漏損耗、雙折射等傳輸特性,研究其一般變化規(guī)律.在此研究的基礎(chǔ)上,提出了包含有橢圓空氣孔的光子晶體光纖,設(shè)計(jì)獲得了超低、超平坦色散曲線,并分析其雙折射變化.此外,文中還首次探討、分析了纖芯含有空氣孔的折射率導(dǎo)光光子晶體光纖,由于其纖芯空氣孔小于包層空氣孔,所以纖芯有

4、效折射率仍然大于包層有效折射率,這種光纖的導(dǎo)光原理為全內(nèi)反射導(dǎo)光.通過(guò)數(shù)值計(jì)算,研究了該光纖的色散性能和損耗性能,并提出了一種新型的高雙折射空氣孔纖芯折射率導(dǎo)光光子晶體光纖. 帶隙導(dǎo)光光子晶體光纖以其前所未有的導(dǎo)光方式,被譽(yù)為"真正"的光子晶體光纖.本文研究了三角形晶格結(jié)構(gòu)和六邊形晶格結(jié)構(gòu)兩種不同結(jié)構(gòu)光子晶體的帶隙特征.進(jìn)一步的研究表明,在具有相同的空氣填充率時(shí),六邊形晶格結(jié)構(gòu)具有更大的光子禁帶,這一結(jié)論可以通過(guò)Node-vei

5、n理論獲得解釋.此外,在光子晶體光纖制作過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)并引起關(guān)注的空隙孔對(duì)光子帶隙的影響也在文中做了相應(yīng)的計(jì)算分析.文中具體分析了六邊形晶格結(jié)構(gòu)的低折射率纖芯光子晶體光纖,研究其模場(chǎng)分布,對(duì)其PBG導(dǎo)模有效折射率和色散曲線進(jìn)行了定量的計(jì)算和仿真.由于光子晶體帶隙效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),人們還設(shè)想是否可以利用光子禁帶將光局限在空氣中傳播,這就是空氣導(dǎo)光(air-guiding)光子晶體光纖,文中分析了包層為三角晶格結(jié)構(gòu)的空芯光纖(hollow fibe

6、r).文中還提出一種改進(jìn)的六邊形晶格結(jié)構(gòu),并以此構(gòu)建新型的高雙折射光子帶隙光纖,其雙折射大小達(dá)到了10<'-5>量級(jí). 本文還研究了用于色散補(bǔ)償?shù)墓庾泳w光纖設(shè)計(jì),提出了一種三包層色散補(bǔ)償光子晶體光纖,研究了光纖的模場(chǎng)特性,分析了各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)色散性能的影響,設(shè)計(jì)了性能平衡的色散補(bǔ)償光子晶體光纖.此外,根據(jù)寬帶光纖參量放大器技術(shù)的需要,還設(shè)計(jì)了高非線性、色散平坦的高折射率纖芯光子晶體光纖,并結(jié)合雙泵普光纖參量放大器(FOPA)的